PA11/SiC 复合材料的制备及其吸波性能研究

曾 莉, 郑 玱, 漆 诚, 董茜娟, 刘伟建, 罗俊峰

(江西洪都航空工业集团, 江西 南昌 330024)

尼龙11(PA11)是一种性能优良的工程塑料, 在汽车、 电子电器、 军工等领域得到了广泛的应用[1]。 近年来随着纳米技术的发展, PA11 复合材料成为研究的热点。 目前国外主要研究了 PA11/Au、 PA11/Si 纳米复合材料并取得了一定的进展[2]。

SiC 是由Si、 C 以共价键结合而成的正四面体, 具有良好的化学稳定性和热稳定性, 同时还具有良好的力学和热传导性能, 在光电子学、 高温电子学、 抗辐射电子学和高频大功率器件领域具有巨大广泛的应用前景[3]。 除此之外, 碳化硅具有良好的吸收电磁波的性能, 是传统型吸波材料, 其吸波性已有一定的研究[4-6]。

笔者采用有机改性法对SiC 表面处理, 改善SiC 与PA11 的相容性。 通过物理熔融共混制备PA11/SiC 纳米复合材料, 测试复合材料的相对复电磁常数, 研究其电磁性质、 微波吸收性能。

1 实 验

1.1 原料及仪器设备

尼龙11(挤塑级), 太原中联泽农有限公司; 硅烷偶联剂(分析纯), 天津市东丽区天大化学试剂厂; 碳化硅粉体。

SHJ-36 型平向双螺杆挤出机, 南京诚盟化工机械有限公司; SZ - 100/80 塑料注塑成型机, 上海塑料机械厂; XDQ 型塑料切粒机, 天水兴田橡塑机械有限公司; 8400S 红外光谱仪,日本岛津; HP-8722ES 网络矢量分析仪, 美国安捷伦。

1.2 SiC 表面处理

将SiC 粉与盐酸制成质量分数为15%的SiC 悬浮液, 搅拌真空抽滤, 取出置于真空烘箱120 ℃下干燥24 h。 烘干后, 在马弗炉中煅烧。 量取 160 mL 甲苯、 2 mL KH550、 100 g 煅烧过SiC, 分别加入到三口烧瓶中, 搅拌均匀, 油浴锅加热90 ℃下恒温5 h 并持续充氮气, 真空抽滤, 得到SiC 固体。 将SiC 在水介质中超声分散半小时后抽滤, 置于真空烘箱中110 ℃下干燥12 h 后取出, 装袋密封, 待用。

1.3 PA11/SiC 纳米复合材料制备

将表面处理过的SiC 粉末与尼龙11 按比例混合, SiC 的质量分数分别为0%、 5%、 10%、 15%。 在双螺杆挤出机上挤出、 造粒, 制备出PA11/SiC 复合材料。 在经注塑机注射得到标准样条。

1.4 吸波性能测试

用HP-8722ES 网络矢量分析仪通过同轴法测定PA11/SiC复合材料在1 ~18 GHz 频率下的相对复电磁常数, 依据测量数据计算复合材料对电磁波的反射衰减。

2 结果与讨论

2.1 红外分析

图1 为表面处理前后SiC 的红外光谱图。 从图1 可以看出,表面处理前的SiC 在500 ~900 cm-1间存在C-Si 的伸缩振动峰,1611 cm-1和3452 cm-1为SiC 表面吸附水而产生的吸收峰。 而表面处理后的SiC 化合物中的C-Si 的伸缩振动峰增强, 波数在1120 cm-1处存在C-Si 的弯曲振动, 在波数3452 cm-1处是缔合的氨基 (N-H) 伸缩振动峰, 1611 cm-1处为氨基 (N-H)的面内弯曲振动峰。 结果表明, 硅烷偶联剂水解后的一端与SiC 表面的羟基发生了反应, 硅烷偶联剂水解后的另一端连接上了-NH2。

图1 SiC 表面处理前后红外图Fig.1 Infrared image of SiC before and after surface treatment

2.2 PA11/SiC 复合材料电磁吸波分析

图2 显示了不同SiC 含量的PA11/SiC 复合材料在不同的厚度下的反射损失。 从图中可看出, 纯PA11 的反射衰减很弱,不到-1 dB。 SiC 含量分别为5%, 10%, 15%的复合材料的匹配厚度分别为tm=5, 3, 2 mm, 而且最强的反射损失约为Rmax=-21, -33, -8 dB, 可以看出反射损失在填充质量比例为10%时, 电磁匹配和阻抗匹配效果最佳。 由此可得出在PA11/SiC 复合材料中起衰减作用的是SiC, PA11 则起到调节阻抗匹配的作用。

图2 PA11/SiC 复合材料的反射衰减Fig.2 Reflection attenuation of PA11/SiC composites

另外, SiC 含量为10% 的 PA11/SiC 复合材料在厚度为2 mm 时具有比较强的吸收, 此时反射损失低于-10 dB(代表超过90%的吸收)的频带宽度超过4 GHz, 对微波能量吸收良好。

图3 显示了纯PA11 的复介电常数、 复磁导率和损耗正切值与频率的函数关系。 从图3 可以看出, 6 个参数的值在1 ~18 GHz 整个频率范围内变化都很小。 图3(a)中, PA11 的相对复介电常数和介电损耗正切值tanδE在整个频率范围内均未发生明显变化, 说明PA11 中的偶极子在常温下很稳定[7]。 介电常数虚部ε″和介电损耗正切值都维持在近乎为零的数值, 可见PA11 的介电损耗很弱, 可以忽略。

图3 纯PA11 的复介电常数、 复磁导率及损耗正切值Fig.3 Complex permittivity, complex permeability and loss tangent of pure PA11

图3(b)中, 可以看到, PA11 的复磁导率近乎为1, 磁损耗正切值tanδM近乎为零, 可认为PA11 的磁损耗同样可忽略。因此, PA11 是一种低损耗型介电材料。 由图可知, PA11 基体的介电常数约为2.3, 介电损耗正切值tanδE的数量级为10-2,反射衰减不到-1 dB, PA 11 也具有良好的透波性能。

图4(a)显示的是SiC 含量为10%的PA11/SiC 复合材料的介电常数与频率的函数关系。 与纯PA11 相比, PA11/SiC 复合材料的介电常数增大了几倍, SiC 的加入对PA11 的电性能影响很大。 图4(b)中, 我们可以观察到复合材料的磁导率实部变化不大, 但磁导率虚部变化较明显, 特别是在低频段变化明显, 最大值接近0.4。 磁导率虚部的增大可解释为SiC 在粒径尺寸降低到纳米量级后, 拥有纳米的特殊效应, 显示出良好的微波吸收性能, 而且随粒径的变小, 磁损耗会越强。 图4(c)描绘了介电损耗正切值tanδE和磁损耗正切值tanδM随频率变化的曲线。 可知, 复合材料仍以电损耗为主, 但磁损耗不可再忽略, 而且在某个波段磁损耗还占主导地位, 将拥有电损耗和磁损耗两种损耗机制。 PA11 和SiC 都属于电损耗型材料, 但共混改性后的复合材料出现一定强度的磁损耗将增大对电磁波的损耗, 提高反射衰减。

图4 SiC 含量为10%的PA11/SiC 复合材料的复介电常数、 复磁导率及损耗正切值Fig.4 Complex dielectric constant and complex permeability of PA11/SiC composites with 10% SiC content

3 结 论

对PA11/SiC 复合材料的电磁性质、 微波吸收性能进行研究分析, 可得到以下结论:

(1)SiC 经表面处理后, 硅烷偶联剂水解后的一端与SiC 表面的羟基发生了反应, 硅烷偶联剂水解后的另一端连接上了-NH2, 说明改性是成功的。

(2)对PA11/SiC 复合材料电磁性质进行测试, 发现SiC 的加入, 改变了尼龙11 的电性能, 复合材料的磁导率虚部变化明显。 当填充质量比例为10%的复合材料在厚度为2 mm 时具有比较强的吸收, 基本满足了对吸波材料 “宽、 轻、 薄、 强”的要求, 可作为一种微波波段优异的吸收材料。